The astounding athletic power of quadcopters | Raffaello D'Andrea

Translator: Joseph Geni Reviewer: Morton Bast

Traducător: Adrian Dobroiu Corector: Ariana Bleau Lugo

So what does it mean for a machine to be athletic?

Ce presupune ca o mașinărie să fie atletică?

We will demonstrate the concept of machine athleticism

Vom explica noțiunea de sportivitate a mașinilor

and the research to achieve it

și cum o obținem prin cercetare

with the help of these flying machines called quadrocopters,

cu ajutorul acestor mașinării zburătoare, numite „tetrarotoare”

or quads, for short.

sau pe scurt drone.

Quads have been around for a long time.

Dronele există de multă vreme.

They're so popular these days because they're mechanically simple.

Azi le vedem peste tot

pentru că funcționează foarte simplu.

By controlling the speeds of these four propellers,

Prin comanda vitezelor celor patru elice

these machines can roll, pitch, yaw,

se obțin tangajul, ruliul, girația

and accelerate along their common orientation.

și accelerația în direcția lor comună.

On board are also a battery, a computer,

La bord mai există o baterie, un calculator,

various sensors and wireless radios.

diferiți senzori și cartele radio.

Quads are extremely agile, but this agility comes at a cost.

Dronele sunt foarte agile, dar agilitatea are un preț.

They are inherently unstable,

Sunt inerent instabile, deci pentru a zbura

and they need some form of automatic feedback control

au nevoie de centru comandă automat.

in order to be able to fly.

So, how did it just do that?

Cum a reușit asta?

Cameras on the ceiling and a laptop

Camerele de pe tavan și un laptop,

serve as an indoor global positioning system.

formează un sistem de poziționare local.

Așa localizăm în spațiu obiectele

It's used to locate objects in the space

that have these reflective markers on them.

care au montate aceste repere reflectorizante.

This data is then sent to another laptop

Datele sunt trimise la un alt laptop,

that is running estimation and control algorithms,

care rulează algoritmi de estimare și comandă

which in turn sends commands to the quad,

și care apoi trimite comenzi dronei,

which is also running estimation and control algorithms.

care rulează și ea algoritmi de estimare și comandă.

The bulk of our research is algorithms.

Grosul cercetării noastre sunt în algoritmii.

It's the magic that brings these machines to life.

Aceștia reprezintă magia ce dă viață acestor aparate.

So how does one design the algorithms that create a machine athlete?

Cum se proiectează algoritmii

care creează un mașinărie agilă?

We use something broadly called model-based design.

Folosim ceea ce se numește „proiectare pe bază de model”.

We first capture the physics

Întâi modelăm matematic procesele fizice

with a mathematical model of how the machines behave.

din funcționarea aparatelor.

We then use a branch of mathematics called control theory

Apoi folosim ramura matematicii

numită „teoria controlului” pentru a analiza modelele

to analyze these models

și sintetizăm algoritmi pentru comanda lor.

and also to synthesize algorithms for controlling them.

For example, that's how we can make the quad hover.

De exemplu așa obținem zborul staționar.

We first captured the dynamics with a set of differential equations.

Mai întâi descriem dinamica

într-un sistem de ecuații diferențiale.

We then manipulate these equations with the help of control theory

Apoi modificăm aceste ecuații folosind

teoria controlului pentru a crea algoritmi care stabilizează drona.

to create algorithms that stabilize the quad.

Let me demonstrate the strength of this approach.

Să vă arăt puterea acestei abordări.

Suppose that we want this quad to not only hover

Să zicem că-i cerem dronei să zboare staționar

but to also balance this pole.

și în plus să țină o vergea în echilibru.

With a little bit of practice,

Cu puțin exercițiu

it's pretty straightforward for a human being to do this,

e destul de simplu pentru un om să facă asta,

deși e drept că noi profităm că avem două picioare pe sol

although we do have the advantage of having two feet on the ground

și de mâini foarte versatile.

and the use of our very versatile hands.

It becomes a little bit more difficult

Devine ceva mai greu

when I only have one foot on the ground

cu un singur picior pe sol

and when I don't use my hands.

și dacă nu folosesc mâinile.

Notice how this pole has a reflective marker on top,

Observați că vergeaua are un reper reflectant sus,

which means that it can be located in the space.

deci poate fi localizată în spațiu.

(Audience) Oh!

(Aplauze)

(Applause)

(Applause ends)

You can notice that this quad is making fine adjustments

Vedeți cum face mici ajustări

pentru a păstra echilibrul.

to keep the pole balanced.

How did we design the algorithms to do this?

Cum am proiectat acești algoritmi?

We added the mathematical model of the pole

Am adăugat modelul matematic al vergelei

to that of the quad.

la modelul dronei.

Once we have a model of the combined quad-pole system,

La modelul sistemului combinat dronă plus vergea

we can use control theory to create algorithms for controlling it.

aplicăm teoria controlului pentru a crea algoritmii de comandă.

Here, you see that it's stable,

Uite, vedeți că e stabil,

and even if I give it little nudges,

și chiar dacă îl mișc puțin

it goes back --

to the nice, balanced position.

se întoarce frumos în echilibru.

We can also augment the model

Putem adăuga la model

to include where we want the quad to be in space.

unde vrem să stea drona în spațiu.

Using this pointer, made out of reflective markers,

Folosind acest indicator cu repere reflectante

I can point to where I want the quad to be in space

pot indica unde vreau să fie drona în spațiu,

a fixed distance away from me.

la o anumită distanță de mine.

(Laughter)

The key to these acrobatic maneuvers is algorithms,

Cheia acestor manevre acrobatice e în algoritmi,

designed with the help of mathematical models

proiectați folosind modele matematice

and control theory.

și teoria controlului.

Let's tell the quad to come back here

Să-i spunem dronei să se întoarcă aici

and let the pole drop,

și să lase vergeaua să cadă,

and I will next demonstrate the importance

și vă voi arăta cât de important

e să înțelegem modelele matematice

of understanding physical models

and the workings of the physical world.

și funcționarea lumii fizice.

Notice how the quad lost altitude when I put this glass of water on it.

Ați observat cum a pierdut din altitudine

când am așezat paharul cu apă.

Unlike the balancing pole,

Spre deosebire de vergea, n-am mai inclus

I did not include the mathematical model of the glass

modelul matematic al paharului în sistem.

in the system.

De fapt sistemul habar n-are că paharul cu apă e acolo.

In fact, the system doesn't even know that the glass is there.

Pot folosi din nou indicatorul pentru a-i spune dronei

Like before, I could use the pointer to tell the quad

where I want it to be in space.

unde vreau să fie în spațiu.

(Applause)

(Aplauze)

(Applause ends)

Okay, you should be asking yourself,

Ar trebui să vă întrebați

why doesn't the water fall out of the glass?

de ce nu se varsă apa din pahar?

Two facts.

Două precizări: 1. Gravitația acționează la fel

The first is that gravity acts on all objects in the same way.

asupra tuturor corpurilor.

The second is that the propellers

2. Elicele sunt îndreptate toate

are all pointing in the same direction of the glass, pointing up.

în aceeași direcție ca paharul, în sus.

You put these two things together,

Combinând cele două informații, rezultatul net

the net result is that all side forces on the glass are small

e că forțele laterale asupra paharului sunt mici

and are mainly dominated by aerodynamic effects,

și vin în mare parte din efectele aerodinamice,

which at these speeds are negligible.

care la aceste viteze sunt neglijabile.

And that's why you don't need to model the glass.

De asta nu e nevoie să incluzi paharul în model.

It naturally doesn't spill, no matter what the quad does.

Apa nu se varsă orice ar face drona.

(Audience) Oh!

(Applause)

(Aplauze)

(Applause ends)

The lesson here

Să reținem deci că unele operații performante

is that some high-performance tasks are easier than others,

sunt mai ușoare decât altele

and that understanding the physics of the problem

și că înțelegerea aspectului mecanic al problemei

tells you which ones are easy and which ones are hard.

ne spune care sunt ușoare și care grele.

In this instance, carrying a glass of water is easy.

În cazul acesta, transportarea paharului e ușoară,

Balancing a pole is hard.

echilibrarea vergelei e grea.

We've all heard stories of athletes performing feats while physically injured.

Am auzit cu toții de succesele remarcabile

ale unor sportivi care erau răniți.

Can a machine also perform with extreme physical damage?

Oare se descurcă și o mașină

cu defecte fizice extreme?

Conventional wisdom says

Se spune că pentru a zbura e nevoie

that you need at least four fixed motor propeller pairs in order to fly,

de cel puțin patru motoare fixe cu perechi de elice,

because there are four degrees of freedom to control:

pentru că ai patru grade de libertate:

roll, pitch, yaw and acceleration.

ruliu, tangaj, girație și accelerație.

Hexacopters and octocopters, with six and eight propellers,

Hexarotoarele și octorotoarele, cu șase și opt elice,

can provide redundancy,

dispun de redundanță,

but quadrocopters are much more popular

dar tetrarotoarele sunt mult mai folosite,

because they have the minimum number of fixed motor propeller pairs: four.

pentru că au numărul minim

de elice cu motor fix: patru.

Or do they?

Așa să fie?

(Audience) Oh!

(Laughter)

If we analyze the mathematical model of this machine

Dacă analizăm modelul matematic al aparatului

with only two working propellers,

cu numai două elice în funcțiune,

we discover that there's an unconventional way to fly it.

descoperim că există un mod neconvențional de zbor.

We relinquish control of yaw,

Renunțăm la comanda girației,

but roll, pitch and acceleration can still be controlled

dar putem comanda ruliul, tangajul și accelerația

with algorithms that exploit this new configuration.

cu algoritmi care folosesc noua configurație.

Mathematical models tell us exactly when and why this is possible.

Modelele matematice ne spun exact

când și de ce e posibil.

In this instance, this knowledge allows us to design

Aici această cunoaștere ne permite să proiectăm

novel machine architectures

noi arhitecturi mecanice

sau să concepem algoritmi abili care compensează elegant defecțiunile,

or to design clever algorithms that gracefully handle damage,

just like human athletes do,

așa cum fac sportivii,

instead of building machines with redundancy.

în loc să construim mașini cu redundanță.

We can't help but hold our breath

Ni se taie respirația când vedem

when we watch a diver somersaulting into the water,

un înotător sărind la trambulină

or when a vaulter is twisting in the air,

sau un gimnast făcând un șurub în aer,

în cădere vertiginoasă.

the ground fast approaching.

Will the diver be able to pull off a rip entry?

Va reuși înotătorul să plonjeze perfect?

Will the vaulter stick the landing?

Va reuși gimnastul să încheie curat?

Suppose we want this quad here to perform a triple flip

Să zicem că vrem să punem drona

să se rostogolească de trei ori

and finish off at the exact same spot that it started.

și să revină în punctul de pornire.

This maneuver is going to happen so quickly

Mișcarea va fi atât de rapidă

that we can't use position feedback to correct the motion during execution.

încât nu putem folosi poziția măsurată pentru a face corecții în timp real.

There simply isn't enough time.

Nu ajunge nicicum timpul.

Instead, what the quad can do is perform the maneuver blindly,

În schimb, drona poate să facă manevra orbește,

observe how it finishes the maneuver,

să observe cum a terminat-o

and then use that information to modify its behavior

și apoi să folosească datele pentru a-și corecta comportamentul,

so that the next flip is better.

încât următoarele salturi să fie mai bune.

Similar to the diver and the vaulter,

La fel ca înotătorul și gimnastul,

it is only through repeated practice

numai prin exercițiu repetat

that the maneuver can be learned and executed

se poate învăța și executa o manevră

to the highest standard.

de mare performanță.

(Laughter)

(Applause)

(Aplauze)

Striking a moving ball is a necessary skill in many sports.

În multe sporturi trebuie să știi să lovești mingea.

Cum ar putea o mașină să facă

How do we make a machine do

what an athlete does seemingly without effort?

ceea ce sportivii fac aparent fără efort?

(Laughter)

(Aplauze)

(Applause)

(Applause ends)

This quad has a racket strapped onto its head

Drona aceasta are montată o rachetă deasupra

with a sweet spot roughly the size of an apple, so not too large.

cu o zonă optimă cam cât un măr, nu prea mare.

Aici calculele se fac la fiecare 20 ms,

The following calculations are made every 20 milliseconds,

or 50 times per second.

sau de 50 de ori pe secundă.

We first figure out where the ball is going.

Mai întâi calculăm traiectoria bilei,

We then next calculate how the quad should hit the ball

apoi calculăm mișcarea dronei pentru a lovi bila.

ca să se întoarcă de unde a venit.

so that it flies to where it was thrown from.

Third, a trajectory is planned that carries the quad

Apoi se stabilește o traiectorie duce drona

from its current state to the impact point with the ball.

din starea curentă la punctul de impact cu bila.

Fourth, we only execute 20 milliseconds' worth of that strategy.

Apoi calculele se repetă la un interval de 20 ms.

Twenty milliseconds later, the whole process is repeated

După 20 ms se repetă întregul proces

until the quad strikes the ball.

până când drona lovește bila.

(Applause)

(Aplauze)

Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own,

Mașinăriile pot efectua manevre dinamice atât individual,

they can do it collectively.

cât și colectiv.

These three quads are cooperatively carrying a sky net.

Aceste trei drone cooperează pentru a purta o plasă.

(Applause)

(Aplauze)

(Applause ends)

They perform an extremely dynamic and collective maneuver

Execută o manevră foarte dinamică și colectivă

to launch the ball back to me.

pentru a-mi arunca bila înapoi.

Notice that, at full extension, these quads are vertical.

Observați că la întinderea maximă dronele sunt verticale.

(Applause)

(Aplauze)

In fact, when fully extended,

De fapt la întindere maximă

this is roughly five times greater than what a bungee jumper feels

efectul e de vreo cinci ori mai mare decât ce simți la un bungee jump,

at the end of their launch.

la sfârșitul săriturii.

The algorithms to do this are very similar

Algoritmii de aici seamănă mult

to what the single quad used to hit the ball back to me.

cu ai dronei care lovea bila.

Mathematical models are used to continuously re-plan

Modele matematice sunt folosite

pentru a recalcula strategia de cooperare de 50 de ori pe secundă.

a cooperative strategy 50 times per second.

Everything we have seen so far has been about the machines and their capabilities.

Până acum am arătat numai

ce sunt și ce pot face mașinile.

What happens when we couple this machine athleticism

Dar dacă îmbinăm însușirile sportive ale mașinăriei

with that of a human being?

cu ale omului?

What I have in front of me is a commercial gesture sensor

Am în față un senzor comercial al mișcărilor,

mainly used in gaming.

folosit pentru jocuri.

It can recognize what my various body parts

Poate recunoaște ce fac diferitele părți

are doing in real time.

ale corpului în timp real.

Similar to the pointer that I used earlier,

La fel ca pe indicatorul de adineauri,

we can use this as inputs to the system.

îl putem folosi pentru introducerea datelor.

We now have a natural way of interacting

Astfel avem un mod natural de interacțiune

with the raw athleticism of these quads with my gestures.

cu însușirile sportive ale dronelor, prin gesturi.

(Applause)

(Aplauze)

Interacțiunea nu trebuie neapărat să fie virtuală, poate fi și fizică.

Interaction doesn't have to be virtual.

It can be physical.

Take this quad, for example.

De exemplu această dronă.

It's trying to stay at a fixed point in space.

Încearcă să stea într-un punct fix din spațiu.

If I try to move it out of the way, it fights me,

Dacă încerc să o mișc, se împotrivește

and moves back to where it wants to be.

și se întoarce unde vrea să fie.

We can change this behavior, however.

Dar îi putem schimba comportamentul.

We can use mathematical models

Putem folosi modele matematice

to estimate the force that I'm applying to the quad.

pentru a estima forța cu care împing drona.

Once we know this force, we can also change the laws of physics,

După ce știm forța, putem schimba legile fizicii,

as far as the quad is concerned, of course.

din perspectiva dronei, desigur.

Here, the quad is behaving as if it were in a viscous fluid.

Acum drona se comportă ca și cum ar fi într-un fluid vâscos.

We now have an intimate way of interacting with a machine.

Prin asta putem interacționa

cu aparatul într-un mod direct.

I will use this new capability to position

Voi folosi noua aptitudine pentru a plasa

this camera-carrying quad to the appropriate location

această dronă cu cameră video într-un loc potrivit

for filming the remainder of this demonstration.

pentru a filma restul demonstrației.

So we can physically interact with these quads

Putem deci să interacționăm fizic cu dronele

and we can change the laws of physics.

și putem schimba legile fizicii.

Let's have a little bit of fun with this.

Hai să ne amuzăm puțin cu asta.

For what you will see next,

În clipele următoare aceste drone

these quads will initially behave as if they were on Pluto.

se vor comporta inițial ca și cum ar fi pe Pluto.

As time goes on, gravity will be increased

Apoi treptat gravitația va crește

until we're all back on planet Earth,

până ne vom întoarce pe Pământ,

but I assure you we won't get there.

dar sunt sigur că nu voi reuși.

Okay, here goes.

Bun, începem!

(Laughter)

(Râsete)

(Laughter)

(Râsete)

(Applause)

(Aplauze)

Whew!

Uuu...

Acum vă gândiți:

You're all thinking now,

these guys are having way too much fun,

„Ăștia se distrează cam mult!”

and you're probably also asking yourself,

Și probabil vă întrebați:

why exactly are they building machine athletes?

„De ce or fi construind mașinării atletice?”

Some conjecture that the role of play in the animal kingdom

Unii consideră că rolul jocului în regnul animal

este ascuțirea dibăciei și dezvoltarea calităților.

is to hone skills and develop capabilities.

Others think that it has more of a social role,

Alții cred că are mai mult un rol social,

that it's used to bind the group.

că servește la coeziunea grupului.

Similarly, we use the analogy of sports and athleticism

La fel și noi, prin analogie cu sporturile

to create new algorithms for machines

creăm noi algoritmi

cu care ducem mașinăriile la limită.

to push them to their limits.

What impact will the speed of machines have on our way of life?

Ce impact vor avea astfel de mașinării asupra vieții omului?

Like all our past creations and innovations,

Ca toate creațiile și inovațiile de până acum,

they may be used to improve the human condition

ele pot veni în slujba condiției umane

or they may be misused and abused.

sau se pot folosi greșit și abuza.

This is not a technical choice we are faced with;

Alegerea de făcut nu e una tehnică;

it's a social one.

e una socială.

Let's make the right choice,

Hai să alegem bine,

the choice that brings out the best in the future of machines,

să scoatem tot ce e mai bun din viitorul mașinăriilor,

just like athleticism in sports can bring out the best in us.

așa cum sportivitatea scoate la iveală

tot ce e mai bun din noi.

Let me introduce you to the wizards behind the green curtain.

Vreau să vi-i prezint pe vrăjitorii din spatele cortinei verzi.

They're the current members of the Flying Machine Arena research team.

Ei sunt membrii actuali ai echipei de cercetare Flying Machine Arena.

(Applause)

(Aplauze)

Federico Augugliaro, Dario Brescianini,

Federico Augugliaro, Dario Brescianini, Markus Hehn,

Markus Hehn, Sergei Lupashin, Mark Muller and Robin Ritz.

Sergei Lupashin, Mark Muller și Robin Ritz.

Look out for them. They're destined for great things.

Stați cu ochii pe ei. Le e scris să facă lucruri mari.

Thank you.

Mulțumesc.

(Applause)

(Aplauze)